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就在十年前，美國(guó)宇航局的航天飛機(jī)最后一次在美國(guó)著陸，標(biāo)志著歷史上最成功的太空計(jì)劃之一的結(jié)束。一艘與眾不同的飛船，航天飛機(jī)像火箭一樣發(fā)射，然后像滑翔機(jī)一樣降落在地球上，將宇航員運(yùn)送到太空并返回太空長(zhǎng)達(dá) 30 年。
世界上第一個(gè)可重復(fù)使用的航天器由四個(gè)元素組成——航天飛機(jī)本身，也稱為軌道器，加上一對(duì)固體火箭助推器和一個(gè)外部燃料箱。也許最容易辨認(rèn)的是外部油箱，熟悉的橙色結(jié)構(gòu)在航天飛機(jī)起飛時(shí)的大多數(shù)圖像中占主導(dǎo)地位。它有超過(guò) 15 層樓高，是穿梭機(jī)棧中最大的部分。
從噴涂在油箱鋁結(jié)構(gòu)上的泡沫絕緣材料中獲得其標(biāo)志性的橙色，以防止超冷推進(jìn)劑蒸發(fā)過(guò)快和外部積冰，油箱的主要工作是提供約 535,000 加侖的超冷液氫和向航天飛機(jī)的三個(gè)主發(fā)動(dòng)機(jī)輸送液態(tài)氧。氫氣和氧氣是性能最高的推進(jìn)劑組合之一，NASA 使用它的歷史甚至可以追溯到航天飛機(jī)計(jì)劃。
NASA 的 15,000 磅推力二級(jí)火箭 Centaur 在 1960 年代首次成功證明了液態(tài)氫作為火箭燃料的可行性。Centaur 執(zhí)行了幾項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，為阿波羅計(jì)劃中使用的土星五號(hào)火箭鋪平了道路，從而在整個(gè) 1960 年代和 1970 年代成功登陸月球。
“大規(guī)模的液態(tài)氫在 1950 年代真正起飛，主要是由國(guó)防相關(guān)活動(dòng)推動(dòng)的。當(dāng) NASA 在 1960 年代初期開(kāi)始使用它時(shí)，對(duì)氫氣的需求與性能有關(guān)。這仍然是它的全部?jī)?nèi)容，”美國(guó)宇航局肯尼迪航天中心低溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)室首席研究員亞當(dāng)斯瓦格向 H2 View 解釋道。
“對(duì)于火箭推進(jìn)劑，你總是會(huì)使用液氧，然后你真的只有三種燃料選擇——?dú)錃?、甲烷或天然氣，然后是我們所說(shuō)的 RP1，它是精制煤油。在這三種組合中，液氫和液氧是性能最高的一種。一旦你離開(kāi)大氣層進(jìn)入太空，從性能的角度來(lái)看，這就是液氧和液氫真正閃耀的地方。
“這就是為什么土星五號(hào)的第二和第三階段使用這種組合。第一級(jí)——每個(gè)人都認(rèn)為土星五號(hào)的巨型級(jí)——有五個(gè)使用液氧和 RP1 的發(fā)動(dòng)機(jī)。但是第二級(jí)和第三級(jí)是液氫和液氧，因?yàn)橐坏┻M(jìn)入太空，我們就需要這種性能。這要求我們?cè)诎l(fā)射臺(tái)建造這些大型、復(fù)雜的低溫儲(chǔ)存和傳輸系統(tǒng)。我們?cè)诳夏岬蠟榘⒉_建造了發(fā)射臺(tái) A 和 B。它們基本上是相同的布局，但它們需要相當(dāng)大的液氫和液氧系統(tǒng)才能為火箭提供燃料?！?/span>
液氫今天仍然是美國(guó)太空探索的標(biāo)志性燃料，目前全世界的一個(gè)熱門話題是它可以用來(lái)為明天的零排放商用飛機(jī)提供燃料。那么美國(guó)宇航局今天如何獲得氫氣，未來(lái)它會(huì)是綠色的嗎？
“這是一個(gè)很好的問(wèn)題，現(xiàn)在是一個(gè)非常流行的話題，”斯旺格回答道。
“佛羅里達(dá)州沒(méi)有任何大型氫氣液化器；雖然很久以前就有了。我們從墨西哥灣沿岸地區(qū)（阿拉巴馬州或路易斯安那州）采購(gòu)液態(tài)氫。它一直被卡車運(yùn)送到數(shù)百英里，才能到達(dá)墊子。他們一波波地涌來(lái)，一次五艘左右。
“在早期，他們實(shí)際上有液氫軌道車，所以他們將穿過(guò)液氫罐的軌道放在墊子上，并通過(guò)火車運(yùn)送液體。但由于某種原因，這種方式很快就過(guò)時(shí)了，從那時(shí)起，公路油罐車一直是首選方法。
“但回到關(guān)于綠色氫的問(wèn)題，到目前為止，不，我認(rèn)為我們購(gòu)買的液體中沒(méi)有多少是綠色的。這是目前全球范圍內(nèi)的一個(gè)巨大話題。推動(dòng)每個(gè)行業(yè)向氫能過(guò)渡的動(dòng)力實(shí)際上是由存在于那里的潛在未來(lái)推動(dòng)的，在那里您既可以制造氫，也可以使用零碳排放的氫。它是唯一可以賦予您這種能力的燃料。
“而且我一直認(rèn)為，從消息傳遞的角度來(lái)看，我覺(jué)得我們作為氫的技術(shù)社區(qū)和推動(dòng)者，在傳達(dá)宇宙給我們氫的一份特別禮物方面做得還不夠好！事實(shí)是，我們提供此選項(xiàng)只是一個(gè)巧合。不一定必須有一種燃料既可以制造又可以零碳排放地使用，如果我們有意愿，我們就可以使用它，并且可以找出技術(shù)部分，我認(rèn)為這就是一個(gè)重要的話題?！?/span>
目前，世界上大部分液態(tài)氫是通過(guò)稱為蒸汽甲烷重整 (SMR) 的過(guò)程產(chǎn)生的，該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳。
“全球的目標(biāo)是用電解槽從 SMR 過(guò)渡。從經(jīng)濟(jì)上講，完全過(guò)渡需要一段時(shí)間，因?yàn)?SMR 是一個(gè)完善的流程。但是氫氣有不同的顏色，所以你仍然可以使用 SMR 并捕獲 CO2，你會(huì)得到藍(lán)色的氫氣。會(huì)有那些橋梁顏色讓我們進(jìn)入綠色。我認(rèn)為它會(huì)相當(dāng)快地接管，因?yàn)橛羞@樣一種推動(dòng)事物走向綠色的一面，”斯旺格說(shuō)。
“回顧航天飛機(jī)計(jì)劃和之前，液態(tài)氫是一個(gè)非常小眾的東西。沒(méi)有多少行業(yè)使用它，它遠(yuǎn)離每個(gè)人的視線，我認(rèn)為沒(méi)有人真正關(guān)心它是如何生產(chǎn)的，因?yàn)樗皇菬o(wú)關(guān)緊要?，F(xiàn)在完全不一樣了?！?/span>
除了用作火箭推進(jìn)劑之外，NASA 還通過(guò)燃料電池獲得了氫氣方面的更多經(jīng)驗(yàn)，燃料電池在阿波羅和航天飛機(jī)飛行器中用作太空中電力和水的主要來(lái)源。
“燃料電池是推動(dòng)整個(gè)氫能企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，美國(guó)宇航局從事燃料電池業(yè)務(wù)已有一段時(shí)間了，”斯旺格熱情地說(shuō)道。
“與他們現(xiàn)在擁有的用于阿波羅和航天飛機(jī)的燃料電池相比，它們非常龐大且效率低下?，F(xiàn)在你可以得到真正有效的，我可以放在桌子上。
“使氫如此驚人的原因不僅在于它能夠以液態(tài)形式在世界各地移動(dòng)大量能量，即能量載體方面，而且還一直到微觀使用水平，從個(gè)人車輛到火箭。
“而燃料電池確實(shí)是推動(dòng)這一進(jìn)程的主要?jiǎng)恿?，因?yàn)槿绻阒圃爝@些非常高效的燃料電池，并且將它們做得非常小且非常具有成本效益，那么只要你有可用的氫氣，你就可以真正將它們放入任何東西中。
“燃料電池不需要液體，它們只需要?dú)怏w。從液體使用的角度來(lái)看，液體本身的最終用途并不多。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)恰好是少數(shù)在最終使用點(diǎn)實(shí)際消耗液體的發(fā)動(dòng)機(jī)之一。
“基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在是一個(gè)挑戰(zhàn)，我們正在努力建立它，但如果你有可用的氫氣，那么你幾乎可以使用燃料電池為你想要的任何東西供電。因此，這確實(shí)推動(dòng)了這一領(lǐng)域的大量加速和采用?！?/span>
談到與當(dāng)今廣泛使用的 LNG 相比，氫氣面臨的進(jìn)一步挑戰(zhàn)，Swanger 繼續(xù)說(shuō)道，“液態(tài)氫比 LNG 冷得多，液化和處理需要更多的能源。這就是許多社區(qū)現(xiàn)在正在努力的地方，以弄清楚如何將我們所知道的 LNG 儲(chǔ)存（我們已經(jīng)做了幾十年）應(yīng)用到大型液氫罐中，還有什么差距我們需要解決。有挑戰(zhàn)，但在我看來(lái)都是可以實(shí)現(xiàn)的?！?/span>
隨著 NASA 展望即將到來(lái)的將美國(guó)宇航員送回月球的 Artemis 任務(wù)，氫將繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。航天局剛剛對(duì)肯尼迪航天中心世界上最大的液氫儲(chǔ)罐進(jìn)行收尾工作，該儲(chǔ)罐將為太空發(fā)射系統(tǒng) (SLS) 火箭提供燃料。
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